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聚氨酯橡胶_百度文库
时间: 2021-01-22 03:12     作者: 365竞猜

  聚氨酯橡胶_材料科学_工程科技_专业资料。引言 现在聚氨酯橡胶作为一种材料,在国内外的冲压模具行业中得到广泛的应用。它不仅 可以代替天然橡胶作冲模的弹性元件,使其寿命提高 10 倍以上,而且还可以代替钢,制作 聚氨酯橡胶冲裁模、弯曲模、拉深模

  引言 现在聚氨酯橡胶作为一种材料,在国内外的冲压模具行业中得到广泛的应用。它不仅 可以代替天然橡胶作冲模的弹性元件,使其寿命提高 10 倍以上,而且还可以代替钢,制作 聚氨酯橡胶冲裁模、弯曲模、拉深模、翻边模和胀形模等多种冲压模具,解决了传统的钢模 所难以解决,甚至无法解决的难题。如:对于以下厚度的极薄材料冲裁,应用传统的钢模是 依靠钢质凸模和凹模的精密配合和锋利的刃口,对薄板进行快速冲压,完成冲裁工序的,效 果很不好,废品率高质量差,制模难,周期长,模具寿命短,成本高。零件越薄,外形越复 杂,效果越不好。应用聚氨酯橡胶冲裁模效果却非常好,零件精度能达到 IT9-5 级,断面无 毛刺,平面平整,零件质量好而稳定,生产效率高,零件越薄,外形越复杂,效果越好。而 且模具结构简单、寿命长,制模和修模都很容易,工时能减少 1/2~1/3,模具成本约降低 50%。 现在已广泛应用于电器装备、精密仪器仪表,小型家电等零配件加工。 又如:对于管状、筒形、球状、椭圆等异形零件的冲压工艺很复杂,成型效果差,有时 根本无法实施该工艺。如果利用聚氨酯橡胶胀形模,就会使复杂零件的成型工艺变得简单易 行[1]。大家所熟悉的自行车的中轴(六通接头)需要在管材的不同角度、不同位置开出几 个圆孔。传统工艺只能采用普通机械加工方式进行多次定位、加工,不仅费工费时,而且产 品质量低。现在采用聚氨酯橡胶胀形模进行冲压生产,就使得这种产品的加工变得简单得多。 如图 1 所示,在成型中,选用与管状内径相匹配,硬度适中(即邵氏硬度 70~80A)的聚氨 酯橡胶棒充当胀形模的凸模。而凹模则是使用普通金属组合而成的,根据零件要求,开出相 应的孔洞,工作时在胶棒上施压,使其产生较大变形,从而迫使管材在凹模孔洞处产生较大 的外凸变形,当卸压后,聚氨酯橡胶恢复原状,取出即可达到多孔胀形一次完成的目的。 因此,聚氨酯橡胶冲模的应用给冲压技术带来不小的变革,具有显著的经济技术效益。它缩 短了冲压模具的制作时间,加快了新产品开发步伐,简化了传统冲模设计和制造程序,使传 统的冲压工艺难以完成或无法进行的工作成为可能。现在引起越来越多业内人士的关注,越 来越多的机构和学者对它进行研究。我国于 70 年代后期研制成功了聚氨酯橡胶,并于 80 年代初用于冲压技术,用它代替钢材料制作各种冲模。经过这些年的努力,这项技术已经有 了很大的进步,但在我国还算是一项年轻的技术,还有很大的发展空间,还须进一步完善和 提高。所以对聚氨酯橡胶模具,尤其对当前应用最广泛的冲裁模工作的理论基础研究,就显 得非常必要。 2、聚氨酯橡胶的性能 聚氨酯橡胶的组成 聚氨酯橡胶的全称是聚氨基甲酸酯橡胶,是一种性能介于天然橡胶与一般塑料之间的弹性 体,是人工合成的一种高分子聚合物。目前应用于金属板料压力加工中的聚氨酯橡胶主要是 聚酯浇注型的。它由已二酸、乙二醇、丙二醇缩聚而成分子量为 2000 左右的端羟基聚酯, 进一步与甲苯二异氰酸酯(TDI)合成为分子量较低的端基为异氰基的预聚体,并按端异氰 基的含量高低,与 MOCA[` ——亚甲基双(2——氯苯胺)]熔融混合浇注模压成形,并经二次硫 化而获得硬度高低不同的聚氨酯橡胶制品。 聚氨酯橡胶的机械性能 由上述可知,由于聚氨酯橡胶的组成不同,其硬度及其他机械性能也不一样。表 1 例出,几 种国产聚酯橡胶的机械性能[2]。 聚氨酯橡胶的机械加工性能 由于聚氨酯橡胶具有较好的机械性能,所以各种硬度的聚氨酯橡胶都可以进行机械加工,只 是硬度不同,其加工范围也有区别,表 2 列出各种硬度的聚氨酯橡胶机械加工的适用范围[2]。 聚氨酯橡胶的优点 聚氨酯橡胶是不可压缩的弹性体,它在一个方向受压,在其他方向就呈胀的状态,与液体相 似有良好的各向流动特性,能传递压力。从聚氨酯橡胶的机械性能和机械加工性能来分析, 它具有下列主要优点,所以能够在冲压生产中的冲裁,成形以及弹性元件等几个方面获得越 来越广泛的应用。 硬度适用范围大,它可根据钣金加工的不同要求,其硬度可在邵氏 20A 至 70D 之间调节[1]。 优异的耐磨性能,其抗磨性能是普通天然橡胶的 5~10 倍。 优异的抗压强度和抗切口撕裂强度。普通天然橡胶所能承受的最大压力约为 40Mpa,而聚 氨酯橡胶的一般抗压强度都能达到 160~100Mpa,有时甚至能在 1000Mpa 的高压和超高压下 工作。其抗切口撕裂性能也比天然橡胶优越得多[1]。 强度高弹性好,而且永久变形小,它在高硬度下仍具有优良的弹性,即仍具有良好的流动 性。 耐油性能好,是天然橡胶的 5~6 倍,能抵抗在机械加工过程中各种油品的侵蚀。耐老化和 冲击性能也很好。 弹性模量大,而且其硬度越高,弹性模具值越大。图 2 所示,是一组国产聚氨酯橡胶的压 缩性能曲线],这是橡胶模块在四周无约束上下两面受压的状态下获得的。由图中可见, 硬度高(95A)的聚氨酯橡胶的弹性模量远大于硬度较低(70A)的聚氨酯橡胶。图 3 所示, 是 95A 聚氨酯橡胶在封闭状态下的几种形状系数的压缩性能曲线。由图中显示,在此状态 下只要很小的变形就能获得很大的单位压力。 机械加工性能较好,便于加工成各种形状的模具零件,以满足模具装配的要求。 不同的聚氨酯橡胶的各种性能是不一样的,从冲压,钣金工艺的应用而言,有使用价值的是 硬度为邵氏 70~95A 的聚氨酯橡胶。硬度较高(90A、95A)的聚氨酯橡胶,只要很小的变形 就能产生很高的单位压力与剪切力,而且还有良好的流动性,这类橡胶主要应用于冲裁模、 落锤模以及局部成型模等。硬度为 70~80A 的橡胶具有非常好的流动性,在压缩量较大的情 况下只能引起很小的永久变形,但却能产生相当大的单位压力,这类橡胶主要应用于各种成 形模与弹性元件(顶件器、卸料器或压边圈等)。 聚氨酯橡胶的缺点 聚氨酯橡胶除了上述的优越性能外,也有其缺点: 易水解,在较高温度(38℃以上)的湿空气中,聚氨酯会发生水解,强度下降[2]。 滞后产生的热量大,在反复变形条件下,滞后生热。橡胶本身发散热量较慢,热量积聚温 度就上升,但聚氨酯橡胶的耐热温度仅在 80~100℃之间,因而加速橡胶的磨耗[2]。 因此,把聚氨酯橡胶应用于冲压技术时,既要利用它的优越性能,也要考虑它的缺点。应避 免聚氨酯橡胶模具在高温潮湿的环境中使用,以防水解;也不宜配置在高速冲床上使用,以 尽量减少滞后而产生的热量,力求不影响模具的使用寿命。 综上所述聚氨酯橡胶是非常理想的模具材料,其应用的前景非常广阔。 3、聚氨酯橡胶冲模的工作机理 聚氨酯橡胶冲裁模的冲裁机理 模具结构简介: 聚氨酯橡胶冲裁模是聚氨酯橡胶模具中应用最多的一种,它的经济技术效益非常显著,所以 在国内外推广很快。冲裁模又分为专用模和通用模。专用模是用来生产某一零件的专用模具, 如图 5 所示。这是一副落料冲孔复合模。但它仅有钢质的凸凹模而无钢质的凹模和凸模,后 二者是以装在容框中的聚氨酯橡胶代替。容框的型腔与凸凹模有~的间隙,即聚氨酯橡胶的 端面比凸凹模大。这比传统的钢模结构简单了许多,但仍然有很多相似之处,也是采用条料 冲裁,有较高的生产率,适用于以下厚度材料的批量冲裁。通用模是在一副模具中可以用于 外形相近的各种零件的冲裁、弯曲、浅拉延以及其他浅成形工序。以生产冲裁件为例,只需 要加工一块与零件外形一 致的厚约(10~15)t(t 为材料的厚度)的切割模板即可,如果要 生产另一种冲裁件,只要更换切割模板,模架是通用的,如图 6 所示。通用模与钢模比,制 模周期和零件成本都会降低 95%以上,适用于小批量和试制生产。 冲裁变形过程及材料受力分析。 这二种模具的冲裁机理都一样,但与钢模比却有很大的区别。图 7 为其冲裁过程示意图,为 了便于说明仅以专用模落料为例,冲孔与之相同。由图中可见,在冲裁过程中聚氨酯橡胶处 于封闭状态。根据聚氨酯橡胶不可压缩且高弹性的性能,它在封闭状态下受压缩时似液体能 流动,可传递压 力。当压力机滑块下行至上模和下模接触时,上模部分的压板,凸凹模及顶杆,下模部份的 容框及聚氨酯橡胶开始压紧材料,同时聚氨酯橡胶也完全处于封闭之中。随着滑块的继续下 行,凸凹模便推着材料压入到下模容框的型腔中,聚氨酯橡胶开始受压,材料的搭边被压板 压在容框的上平面,其压力为 P。压板型孔的下端沿着周边倒角(见图 7)为聚氨酯橡胶提 供变形流动的空间。而容框口部和凸凹模刃口处的材料都产生弯曲变形,连接它们之间的材 料(即处于容框和凸凹模的间隙间的材料)呈斜面,此时材料进入弹性变形阶段。凸凹模下 的材料除了受到凸凹模垂直向下的压力 F 作用以外,还受到聚氨酯橡胶向上的反作用力。聚 氨酯橡胶由于不可压缩的性能,在垂直方向受压后便往容框型腔和凸凹模的间隙处流动,产 生很大的反作用力 q 垂直作用在斜面材料上。q 可以分解为 q1 和 q2,q1 使材料靠向凸凹模 的侧壁,但由于材料搭边受到压板压力 P 的垂直作用,产生了沿水平方向的摩擦阻力 f,阻 止了材料靠向凸凹模的侧壁,并且在刃口附近形成了沿斜面材料的拉力 N,这加强了凸凹模 刃口处材料弯曲、拉伸变形。同时 q2 与凸凹模的压力 F 在刃口处形成一对剪切力,促使材 料在刃口处产生剪切变形,q2 还减弱了容框口部的弯曲变形。在弹性变形阶段,材料所受 的力比较小。 随着凸凹模的继续下压,聚氨酯橡胶的单位压力逐渐加大。刃口处材料的弯曲、拉伸和剪切 变形都在加剧,材料内的应力也不断增大,当达到屈服极限时变形即进入塑性阶段,在变形 过程中弯曲的外侧不断被拉伸而变薄,强度也在不断减弱,而在内侧由于凸凹模刃口锋利的 缘故,材料在此处产生的压痕、应力集中也随着变形发展而不断加强。同时剪切作用也在增 大,当应力超过抗剪强度时,材料便沿着凸凹模刃口被切断而分离。整个剪切分离过程,材 料都处于塑性状态,所以塑性变形阶段,也是材料的切断阶段[3]。 变形区的应力应变状态。 由前面的分析可知在冲裁变形过程中,材料的主要变形区域在凸凹模刃口处,该处变形很复 杂,其内部的应力应变状态也很复杂,且与变形过程有关。变形过程的关键阶段是塑性变形, 在这个阶段实现了材料分离,完成了冲裁工作,所以分析该阶段变形区的应力应变状态是很 有意义的。在这个阶段,该处材料处于弯曲状态,除了弯曲变形外,还有拉伸和剪切等变形, 其应力应变状态如图 8 所示。在聚氨酯橡胶的强大压力下,弯曲的内侧(即凸凹模刃口一侧) 处于强烈的三向压应力状态,切向为压应变,宽度应变为零,根据体积不变规律,厚度方向 为拉应变。外侧(即聚氨酯橡胶一侧),切向处于拉伸状态,而且还受到斜面材料的牵拉, 所以此处是拉应力,应变为拉应变,宽度方向也是拉应力,应变为零,厚度方向则是压应力, 根据体积不变规律应变为压应变,在切断面(即凸凹模侧壁方向)存在切应力。 由上述的应力应变状态分析可以看出,凸模一侧的材料是处于三向高压应力状态,其塑性很 好,在变形过程中是增厚的,而在聚氨酯橡胶一侧材料是处于二向拉应力,一向压应力状态, 虽然塑性不如前者,但在变形过程 是拉伸变薄的。这就可以保证剪切变形的全过程在塑性 状态下完成。 冲裁件断面情况 冲裁所得的冲裁件断面并不是光滑而垂直的,而是在断面上形成 2 个特征区,即圆角带和切 断带,如图 9 所示。 (1)、圆角带 这个区域是在聚氨酯橡胶一侧发生的,从弹性变形阶段开始发生,延续到塑性变形阶段直至 材料分离。它主要是当凸凹模推着板料进入容框的型腔中,材料受到聚氨酯橡胶的压力,在 凸凹模刃口处产生弯曲,其外侧(即聚氨酯橡胶一侧)受拉伸变薄而形成的。材料塑性越好, 拉伸变薄越严重,圆角也越大,如图 9 所示,其值为: 对塑性较好的材料如 LF21M、H62、T2、T3 等: a=(~)t b=(~)t r=t 对塑性较差的材料如 LY12M 等 a=(~)t b=(~)t r= 对以下的薄料,其外观并没有不良影响。 (2)切断带 这个区域 发生在塑性变形阶段。由于材料是在塑性状态下主要以剪切变形的形式完成分离 的,所以断面只有切断带,而没有被拉断的粗糙的断裂带,一般也没有毛刺。另外,在落料 时,只有钢制的凸模,而无钢制的凹模,后者的作用则以聚氨酯橡胶代替,所以切断带就没 有被凹模型腔侧壁挤光的条件,故表面粗糙度只能达到~微米。 根据前面的分析,材料分离过程,除了剪切变形以外还有拉伸和弯曲变形,在弯曲的外侧切 向还有比较大的拉应力,所以材料的切断除了切应力的作用外,还受到拉应力的影响,造成 切断带沿着拉应力增大的方向(即厚度方向的外侧)向外倾斜,如图 9 所示。所以切断带不 垂直于底面,略有斜度,这就导致了落料件的外径尺寸略大于凸凹模的外径,而内孔则略小 于凸凹模相应的孔径。其差值与材料的厚度及机械性能有关,而与零件平面尺寸的大小无关。 根据实验差值如下: 对塑性较好的材料如 LF21M,H62、H58、T2、T3 等。 △ =(~)t 对塑性较差的材料如:LY12M 等。 △ =(~)t 聚氨酯橡胶专用冲裁模适用于以下的薄料冲裁,所以所获得零件精度还是比较高的,一般能 达到 IT9~TI5 级。 聚氨酯橡胶成形模的成形机理 聚氨酯橡胶成形模具的工作机理与冲裁模相似,同样可以用聚氨酯橡胶代替钢制的凸模或凹 模,也是利用其不可压缩高弹性的性能,让它在封闭状态下受压,促使其向着需要成形的位 置流动,迫使材料形成各种形状。在成形过程中聚氨酯橡胶都贴合材料,随着压力机滑块行 程的增加,橡胶对板料的单位压力也随之增大,当大到一定数值后,就会使板料产生较大的 塑性,回弹角逐渐减小,直至接近于零,具有很好的成形效果。 4 、结论 (1)聚氨酯橡胶具有十分优越的性能,是很理想的冲模材料。 (2)在冲裁中材料分离的必要条件: ① 凸凹模的刃口必须锋利,以便材料在此处的应力能高度集中,为材料分离创造良好的条 件。 ② 条料的搭边在冲裁过程中必须被压紧,而不被拖入容框内,这样橡胶所产生的强大的单 位压力才能迫使材料产生一系列变形,最终导致分离。 ③ 凸凹模压入橡胶应有一定的深度,这样才能迫使橡胶产生足够大的变形,从而产生足够 大的单位压力,使被冲材料在刃口处顺利分离。但压下量又不宜太大,否则会引起橡胶过早 疲劳,而缩短寿命。 (3)既要提高聚氨酯橡胶的寿命,也要减小条料的搭边值,提高材料的利用率;还要减小 材料能冲出的最小孔径,提高模具的应用范围。这是模具结构和聚氨酯橡胶性能还应继续进 行研究的课题,也是聚氨酯橡胶冲模发展的方向。

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